Железнодорожный мост
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ МОСТ - искусственное сооружение, по которому ж. д. пересекает препятствие (реку, пролив, ущелье, овраг) или другую дорогу. При пересечении ж.-д. путей с другой дорогой строят путепроводы и эстакады, над оврагами и ущельями прокладывают виадуки. В населенных пунктах мосты строят на линиях трамваев и на наземных линиях метрополитенов — метромосты.
Общие сведения
Мосты возводят на линиях магистральных железных дорог (в том числе на дорогах высокоскоростного наземного транспорта), а также на узкоколейных дорогах (гл. обр. на подъездных путях предприятий). По экономическим соображениям крупные мосты чаще всего сооружают под ж.-д. и автомобильное движения (совмещенные мосты). К разновидностям ж.-д. мостов относятся наплавные мосты, мостовое полотно которых уложено на плавучие опоры, металлические понтоны или деревянные плашкоуты, и сборно-разборные мосты, обеспечивающие быстрое налаживание ж.-д. переправы через водные препятствия. В ряде случаев по условиям судоходства строят разводные ж.-д. мосты для пропуска судов с перерывом движения поездов. Возвышение остальных ж.-д. мостов над расчетным судоходным горизонтом регламентирует подмостовой габарит. Мосты сооружают под один, два или несколько ж.-д. путей, расстояние между которыми по условиям габарита подвижного состава составляет не менее 4,1 м. Ж.-д. путь может располагаться выше или ниже основных несущих конструкций (с ездой поверху или понизу) либо проходить посередине: на одной части длины поверху, на другой — понизу.
Классификация
К основным элементам ж.-д. моста относятся: пролетные строения с мостовым полотном под ж.-д. путь, мостовые опоры и опорные части. В зависимости от принятой статической схемы пролетных строений (рис. 3.61) мосты бывают арочные (в том числе арочно-консольные), балочные (с разрезными, неразрезными, консольными балками), рамные, вантовые, висячие, а также комбинированные, в которых сочетаются элементы нескольких систем. Применение консольных систем в ж.-д. мостах ограничено из-за сложности обеспечения плавности хода подвижного состава в местах расположения шарнирных соединений.
Материалы
При строительстве мостов используют различные материалы: дерево, камень, бетон, железобетон, металлические материалы (сталь, чугун, алюминий) или их сочетания. Название моста определяется материалом пролетных строений. Например, металлический мост имеет пролетные строения из металла, в то время как его опоры могут быть железобетонными.
В отличие от пешеходных и автодорожных мостов, ж.-д. мосты испытывают более высокие нагрузки, в том числе динамические и ударные, поэтому поперечные сечения элементов их пролетных строений и опор должны быть более мощными. Линейные размеры и сечения определяются также нормами на прогибы пролетных строений от временных подвижных нагрузок, которые также более жесткие, чем для автодорожных мостов.
Пролетное строение
Пролетное строение перекрывает пролет между опорами моста и предназначено для движения транспорта. Оно воспринимает постоянные и временные нагрузки от транспортных средств, ветра, сейсмических и других воздействий и передает их на опоры. Основные элементы пролетных строений: проезжая часть, главные несущие конструкции (в том числе балки, фермы, арки, своды, рамы, кабели, цепи, пилоны), продольные и поперечные связи, объединяющие главные несущие конструкции в пространственно жесткую и геометрически не изменяемую систему. К элементам пролетных строений относятся также портальные рамы (в фермах с ездой понизу) и надарочное строение (в арках с ездой поверху). Проезжая часть ж.-д. моста состоит из мостового полотна и балочной клетки (рис. 3.62,я). Балочная клетка (ростверк), представляющая собой систему продольных и поперечных балок, передает нагрузку на главные балки или узлы главных ферм. Мостовое полотно (рис. 3.62,6) включает: рельсы, рельсовые скрепления, балластное корыто или плиту, балласт; деревянные или металлические поперечины; охранные и противоугонные средства; боковые тротуары, настил, перила; систему водоотвода, деформационные швы и др. Путь на пролетных строениях моста обычно укладывается на щебеночном балласте или на деревянных поперечинах, а на пролетных строениях особо крупных металлических мостов — также на металлических поперечинах. Допускается укладка пути с непосредственным креплением к железобетонной плите. Для передачи давления с пролетного строения на мостовые опоры служат опорные части, которые также допускают поворот пролетного строения и его горизонтальные перемещения (подвижные опорные части).
Мостовые опоры
Мостовые опоры передают постоянные и временные нагрузки от пролетного строения грунтовому основанию через фундамент. Они должны обладать достаточной прочностью и устойчивостью, а их осадка, крен или сдвиг не должны превышать допустимых размеров, обеспечивая нормальную эксплуатацию моста. По расположению различают промежуточные опоры (быки) и концевые или береговые (устои моста). Основными элементами мостовых опор являются подферменная плита, тело опоры и фундамент (рис. 3.63). Подферменная плита (оголовок у быка) изготовляется монолитной или сборной из бетона или армированного железобетона. Тело опоры также может быть выполнено из бетона или армированного железобетона. В мостах, не подвергающихся воздействию воды, а также льда (путепроводы, эстакады), в конструкции опор могут быть применены металлические стойки. Фундаменты мостовых опор сооружают мелкого и глубокого заложения в зависимости от местных условий, грунтов и предполагаемой интенсивности движения. Опоры мостов, помимо вертикальных нагрузок от самих пролетных строений и движущегося по мосту подвижного состава, воспринимают также горизонтальные нагрузки — от ветра, льда, навала судов, торможения или силы тяги и т. д.
В ж.-д. мостах обычно используются балочные несущие конструкции (балки или балочные фермы), передающие на опоры главным образом вертикальные нагрузки, и (реже) -арочные (арки, своды), работающие, как правило, на сжатие и изгиб. Различают пролетные строения со сплошными и сквозными несущими конструкциями. Для перекрытия судоходных пролетов в ж.-д. мостах широко применяют стальные балочные сквозные фермы (рис. 3 64). Такие фермы состоят из поясов, вертикальных элементов — подвесок или стоек, наклонных элементов — раскосов. Элементы главных ферм изготовляют обычно на заводах из листового и профильного металла; при монтаже их соединяют сваркой или высокопрочными болтами, которые передают усилия в соединениях через трение.
Классификация арочных конструкций
Арочные несущие конструкции выполняют железобетонными или стальными. Арки, как правило, испытывают действие изгиба со сжатием. Концы арок (пяты) могут заделываться в опорах или шарнирно соединяться с ними. Арочные системы экономичнее балочных, но требуют более развитой конструкции опор для восприятия распора; их применение целесообразно в тех случаях, когда основание опор находится на твердых, малосжимаемых грунтах.
Комбинированные системы представляют собой сочетание различных статических схем, например балка, усиленная аркой (т. н. арка с затяжкой). Основными элементами такой арки являются затяжка, подвески и сама арка. Затяжка воспринимает распор от арки, работает на растяжение, арка — на сжатие и изгиб, подвески на растяжение. В такой комбинированной системе опорные реакции возникают, как у балочного моста. Материалом для комбинированных систем могут служить сталь и железобетон. Комбинированные арочные системы бывают с ездой понизу.
В висячих системах основным несущим элементом являются цепи (или кабели), пилоны и балка жесткости. Висячие мосты могут быть отнесены к разряду комбинированных (балка, усиленная кабелем, закрепленным на пилонах). Такие мосты, как правило, выполняют из металла, который используют для всех элементов. Висячие мосты, преодолевающие большую водную преграду, иногда делают совмещенными (под автомобильное и ж.-д. движения) с целью экономии материалов на основные элементы (опоры и фундаменты). Одним из самых красивых висячих мостов является мост через пролив Золотые Ворота в Сан-Франциско с главным пролетом в 1298 м. Кабели, как правило, заделываются в устоях, поэтому последние имеют достаточно мощную конструкцию.
Вантовые мосты также относят к комбинированным системам, так как они состоят из балки, усиленной вантами, закрепленными на пилоне. Балки жесткости изготовляют как из металла, так и из железобетона. Из этих же материалов делают пилоны; ванты обычно выполняют из высокопрочных проволок, сплетенных вместе и образующих кабели. Балка жесткости и пилоны работают на сжатие и изгиб, гибкие ванты — только на растяжение. Ванты могут располагаться параллельно друг другу или в виде «пучка», расходящегося от вершины пилона. Вантовые мосты в основном строят под автомобильное движение, редко под железнодорожное. Двухпилонный вантовый мост через р. Сава в Белграде с главным пролетом в 250 м построен под ж.-д. движение, мост через р. Парана в Аргентине с пролетом в 330 м — под совмещенное движение автомобильного и ж.-д. транспорта.
Строительство железнодорожных мостов
Строительство железнодорожных мостов и развитие мостостроения связаны с прокладкой ж. д. и расширением ж.-д. сети во всех странах. Видная роль в практике и разработке теории ж.-д. мостов принадлежит русским мостостроителям. Первые мосты для Царскосельской железной дороги спроектированы Д. И. Журавским, создавшим впоследствии ряд проектов крупных мостов, в том числе на Петербург-Московской железной дороге. В мостах через р. Мета и Веребьинский овраг были впервые в мировой практике использованы неразрезные девятипролетные фермы с деревянными поясами и раскосами и с металлическими тяжами системы американского инж. У. Гау. Журавским был сделан точный расчет этих ферм, элементы которых ранее назначались эмпирическим путем (фермы получили название ферм Гау — Журавского). Веребьинский мост имел длину пролетов по 49,7 м и комбинированные опоры (каменный низ и решетчатый деревянный верх) с рекордной для того времени высотой 50 м. Совершенствование конструкций ж.-д. мостов связано с применением металлических конструкций. Примером может служить мост на Петербург-Варшавской железной дороге через р. Луга, для которого двухпролетные неразрезные фермы длиной 55,3 м впервые в России были изготовлены из железа отечественного производства. Автор проекта моста С. В. Кербедз предложил фермы решетчатой конструкции, отличавшиеся совершенством, точностью расчета и правильным распределением усилий в элементах (параллельных поясах и часто расположенных перекрестных раскосах).
В то же время в гористой местности строились ж.-д. мосты с применением каменных материалов. В кон. 19 в. в конструкции ж.-д. мостов по предложению Н. А. Белелюбского и С.В. Кербедза стали использовать литое железо (например, фермы мостов Великой Сибирской магистрали). Ценным вкладом в мостостроение явилось предложение использовать в мостовых конструкциях типовые унифицированные элементы. Первые проекты с типовыми пролетами от 25 до 50 саженей (1 сажень = 2,13 м) с шагом для ферм 5 саженей были разработаны Н. А. Белелюбским. В самом длинном для того времени в России и одном из самых протяженных в мире металлическом ж.-д. мосте через р. Амударья (общая длина примерно 1,6 км) были использованы пролеты по 30 саженей. В конце 19 в. ряд мостов был построен из типовых пролетных строений с двухраскосной решеткой и параллельными поясами (длиной от 55,87 до 87,78 м) и с параболическими поясами (длиной от 87,49 до 109,25 м). Созданные конструкции оказались настолько перспективными, что продолжают использоваться при разработке типовых элементов в современном мостостроении.
Принципиально новая система ферм консольного типа для больших пролетов ж.-д. мостов была предложена немецким инж. Г. Гербером; подробный расчет системы выполнил русский инж. Г. С. Семиколенов. Первый в России ж.-д. мост с консольно-балоч-ными фермами с главным пролетом длиной 67 м построен в 1887 г. через р. Сула (проект Л. Д. Проскурякова). Совмещенный двухъярусный мост такой системы с пролетом 190 м сооружен в 1907 г. через Днепр у ст. Кичкас. Такой тип ферм получил широкое распространение в мировом ж.-д. мостостроении. В кон. 19 — нач. 20 вв. построены крупные ж.-д. мосты с консольными фермами и пролетами большой длины: Фортской мост в Великобритании (главный пролет 521,2 м), через р. Святого Лаврентия в Квебеке (главный пролет 549,84 м) и др. Для ж.-д. мостов с большими пролетами стали применяться предложенные Л. Д. Проскуряковым полигональные фермы с треугольной и шпренгельной решетками. На Всемирной выставке в Париже в 1900 г. золотой медали удостоена модель Енисейского моста у Красноярска. Мост был крупнейшим в мире, с однопролетной балочной фермой длиной 144 м, рекордной для России. Полигональные фермы были использованы при строительстве в 1915 г. моста через Волгу у Симбирска (проект Н. А. Белелюбского). Общая длина моста составила 2,8 км; пролет имел максимальную для того времени длину — 158,4 м. Это был второй по величине мост в России, занявший пятое место в мире по протяженности мостового перехода. В нач. 20 в. получают распространение арочные системы. Примерами таких мостов могут служить мосты Московской окружной железной дороги с пролетом 135 м, в которых применена двухшарнирная схема; металлический мост с пролетом 165 м через долину Гараби во Франции. В арочных, а позднее и в балочных ж.-д. мостах используется железобетон, идея внедрения которого принадлежит Н. А. Белелюбскому и российскому инж. А. Ф. Лолейту. Ценный вклад в этом направлении сделал инж. Н. О. Диамандиди, который предложил изготовлять типовые железобетонные пролетные строения мостов на специальных заводах. Однако эта идея была претворена в жизнь только в 1950-х гг. В 1913 г. инж. Н. Б. Каменский разработал серию типовых сборных железобетонных пролетных строений для ж.-д. моста. Новый подход к применению железобетона был высказан французским инж. Э. Фрейсине, предложившим принцип предварительного напряжения арматуры.
Развитие ж.-д. строительства в 1950-е гг. поставило перед мостостроением новые задачи: прокладка протяженных магистралей в различных климатических поясах, по сильнопересеченной местности потребовала проектирования большого числа малых и крупных мостов, строительства их индустриальными методами, создания и применения высокопрочных сталей, новых технологий (в том числе сварки), использования унифицированных элементов из сборного и предварительно напряженного железобетона. Примерами такого строительства являются Байкало-Амурская магистраль (построено более 4200 мостов и водопропускных труб), ж.-д. линия Белград — Бар в Югославии протяженностью 476 км (построено 206 железобетонных и 28 стальных ж.-д. мостов). Крупные мосты на таких магистралях строятся обычно совмещенными — под ж.-д. и автомобильное движения. К таким сооружениям можно отнести двухъярусный металлический мост в Португалии через р. Тежу у Лиссабона с пролетом 1013 м (1966 г.); вантовый мост с металлической балкой жесткости и железобетонными пилонами в Аргентине через р. Парана с пролетом 330 м (1977 г.); мост типа «бегущая лань» в Армении через ущелье Раздан в Ереване с пролетом 190 м (1988 г.). Крупнейшим в мире является мостовой переход длиной ок. 10 км между пятью островами в Японии, построенный в 1988 г. В состав перехода входят висячие мосты с максимальным пролетом 1100 м, вантовые — с пролетом 420 м и несколько эстакад. Все сооружения имеют два яруса: верхний — под четыре полосы автотранспорта, нижний — под два ж.-д. пути.